信息加工的认知心理学

信息加工的认知心理学

来源:心知网作者：佚名更新时间:2007年05月22日人气:

    当代认知心理学是一个内容广泛的学科领域，其研究涉及到人的认知的所有方面，而且其概念和理论也渗透到几乎心理学的所有分支领域。有趣的是，在第二次认知革命中崛起的联结主义研究并没有使以计算机类比为主要特征的信息加工心理学退出心理学的前沿阵地，它甚至依然作为认知心理学的主体而存在。因此要把握当代认知心理学的全貌，首先还是要把握信息加工认知心理学的基本观点、研究内容和研究方法。

一、信息加工心理学的基本观点
    众所周知，计算机为信息加工心理学提供了最便利的隐喻——将人脑比作电脑，人脑像电脑一样可以通过把仅有的几种操作作用于符号，加工的信息仍以符号形式贮存，加工的结构和过程可以直观地表示成流程图（flowchart）或称为“箭框模型”（boxes-and-arrows models）。人脑是一个信息加工系统，它可以对表征信息的物理符号进行输入、编码、贮存、提取、复制和传递，而这一过程的完成是系列性的，不同的加工任务和加工阶段由不同的认知结构来完成，这些相对独立的认知结构既前后连接，又具有等级差异，是类似于人工智能机的人脑内部的“机器”。
    信息加工系统，也称为“符号操作系统”（Symbol Operation System），主要由四部分组成，即感受器、效应器、处理器、记忆装置，其中感受器是接受信息的装置，也就是感觉系统；加工器是整个信息加工系统的控制部分，它决定着信息加工的目标、计划及计划的执行，包括图中的控制加工器和工作记忆；记忆装置，主要是指永久性记忆，是信息加工系统的一个重要组成部分，其中存放大量的、由各种符号按照一定关系联结组成的符号结构，即信息；效应器是信息加工系统对信息作出反应的部分，这是整个系统的最后结构，控制着信息的输出。这里最核心的是处理器，它又包括三个功能部分：“（1）一组基本信息过程，如制作和删除符号，制作新的符号结构和复制、改变已有的结构，以符号或符号结构来标志外部刺激，对符号结构进行辨别、比较，并依据符号结构确定反应等；（2）短时记忆，保持基本信息过程输入和输出的符号结构；（3）解说器，将基本信息过程和短时记忆加以整合，决定基本信息过程的序列。对基本信息过程的序列的说明和规定即构成程序，它是信息加工系统的行为机制。”信息加工心理学就是研究信息在信息加工系统中的传递、转换、贮存和作用机制，以揭开头脑“黑箱”内的活动。

二、信息加工心理学的主要研究
    信息加工心理学的研究内容广泛，其中大部分研究集中于四个方面：知觉加工与模式识别、注意、记忆和问题解决等。
    （一）知觉加工与模式识别研究
    知觉是确定刺激物意义的过程，包括对刺激物的定向、选择、组织和解释。信息加工心理学注重对知觉过程的精细研究，从而揭示出其内在的信息加工方式，这些加工方式主要包括：（1）数据驱动加工和概念驱动加工（Lindary & Norman，1977），前者指从刺激作用开始的加工，也叫做自下而上的加工；后者是从主体对于知觉对象的一般知识开始的加工，也叫做自上而下的加工。（2）系列加工和平行加工，前者是指信息加工按照确定的顺序一步一步进行的加工方式，后者是指多方面刺激信息可以在不同的信息加工单元中同时进行的加工方式。（3）整体加工与局部加工，前者是指知觉到刺激物的整体特征，后者是指知觉到刺激物局部的特征，而且在许多情况下，知觉加工表现出明显的整体优势效应，如字词优势效应、客体优势效应等。
    知觉研究领域的重点是模式识别。模式识别是指对于外界刺激进行辨别和归类。认知心理学家对模式识别感兴趣的另一个原因是想让计算机能模拟人的这种能力，使之更加智能化。信息加工心理学中有三种代表性的理论可以在一定程度上解释信息的识别、理解和破译原理。
    1．模板匹配模型
    模板匹配模型（template matching model）是根据机器的识别模式提出来的。它的中心思想是认为人的记忆系统中储存着各式各样的刺激物的模板，当输入的刺激信息正好与某一储存的模板相匹配，该刺激信息就得到破译和识别。但是仅用这种机械的、严格对应的呆板模板匹配来解释人类高度灵活的认知过程显然是不够的，也是不经济的。
    2．原型匹配模型
    原型匹配模型对模板匹配模型进行了改进，认为人可能在记忆系统储存的不是与外部刺激严格对应的模板，而是一类刺激的概括表征，即原型，所以原型是一种综合的、抽象的产物。外部刺激信息输入后，信息加工系统根据输入信息与原型的匹配程度来识别信息，一般会将刺激信息识别为与其有最佳匹配的原型，并赋予其一定的意义，使之获得理解。显然，原型匹配模型包容了模板匹配模型，同时克服了模板匹配模型不灵活、不经济的缺点，也得到更多生活经验和心理实验的支持。不过，更能体现符号加工意义的模式识别理论还是特征分析模型。
    3．特征分析模型
    特征分析模型认为，主体接受输入的信息后，首先对其进行特征分析，然后将分析的结果与长时记忆中的各种事物的特征表进行比较，一旦获得最佳匹配就获得识别。特征分析模型在解释人的模式识别方面显得更为灵活和经济，而且也具有更高的抽象性。但也还是存在一些疑问，比如大量的特征表是如何贮存的？它会增加记忆负担吗？
    （二）注意的研究
    注意的心理机制是现代认知心理学最早的实验课题之一，其研究目的主要在于探明注意的选择机制，实验采用的方法主要是双耳分听技术。从布鲁德本特（Broadbent）最早提出早期选择模型以来，认知心理学家又先后提出了中期选择模型、晚期选择模型和资源限制理论等不同观点。
    1．过滤器模型
    彻里在双耳分听实验中发现，被试追随耳的信息受到注意，因而能得到进一步加工，非追随耳信息未被注意而不能得到加工。英国心理学家布鲁德本特在进一步实验基础上提出了注意的过滤器理论（Broadbent，1958）。该理论认为，人的大脑皮层的加工能力非常有限，为在信息输入通道出现了瓶颈口式的过滤器,通过过滤器的信息受到进一步的加工而被识别和贮存，其余信息则被阻止在高级中枢之外。这种过滤器按照“全或无”的原则进行工作，一个通道通过信息同时就关闭其它通道。因此该理论也被称为是单通道理论，它认为过滤器位于知觉之前，所以信息选择发生于信息加工的早期阶段，故称早期选择模型。
    2．衰减器模型
    有证据表明，一些特别强烈的刺激或对于信息接收者特别有意义的信息，即使不是从追随耳进入加工系统也能被识别，于是特瑞斯曼（A.m.Treisman）提出衰减器模型。衰减器模型认为信息通道中的过滤装置是按照衰减方式工作的，但特别有意义项目（如自己的名字）的激活阈限较低，因此能被激活和识别，这一过滤装置被称为中枢过滤器。看来选择注意不仅取决于感觉信息的特征，而且取决于中枢过滤器的作用，所以又被称为是中期选择模型。
    3．晚期选择模型
    晚期选择模型认为，选择性注意发生在信息加工的晚期，过滤装置位于知觉加工和工作记忆之间。该模型假定所有输入信息都到达了长时记忆，并激活其中的相关项目，然后竞争工作记忆的加工，知觉强度高的或意义较重大的信息获得进一步的系列加工，然后做出反应。这个模型能很好地解释注意分配现象，因为输入的所有信息都得到了加工；也能解释特别有意义的信息容易引起人的注意，因为贮存在长时记忆中的这些项目激活阈限是很低的。但是，这个模型不经济，它假设所有输入信息都被中枢加工。
    与上述过滤器理论完全不同的是由卡尼曼（D.Kahneman）提出的心理智源限制理论。这种理论把注意看作是心理智源，而人的心理智源在总量上是有限的。如果一个任务没有用尽所有智源，那么就可以指向另外的任务。当人面临不止一个的任务时，人就要把心理智源进行分配，每个任务所占用的心理智源就会相对减少，活动效率也会相应降低。这个理论可以很好地解释注意分配现象和有关实验结果，但是它不能预测人的心理智源究竟有多少，如何分配？所以它仍然是不能令人完全满意的。
      按照信息加工的观点，记忆是信息的输入、编码、贮存和提取的过程，它能更全面地体现信息加工系统的工作流程，所以它也是信息加工心理学研究的核心内容之一。
    （三）记忆的研究
    按照信息加工的观点，记忆是信息的输入、编码、贮存和提取的过程，它能更全面地体现信息加工系统的工作流程，所以它也是信息加工心理学研究的核心内容之一。到目前为止，有关记忆的信息加工研究集中在三方面：记忆的结构、表征和容量，主要是记忆的结构和信息表征。
    1．关于记忆结构的研究
    关于记忆结构的研究是从两种记忆说开始的。早在1890年美国心理学家詹姆士就提出初级记忆和次级记忆的概念，前者就是指短时记忆、后者就是指长时记忆。阿特金森和希夫瑞（1968）提出了记忆的三级信息加工模型。该模型认为，记忆结构是固定的，而控制过程是可变的，记忆由感觉记忆、短时记忆和长时记忆三个存贮系统组成。在信息加工过程中，外部信息首先通过感觉器官进入感觉记忆，这里对信息保持的时间非常短，只有1秒钟左右，然后受到注意的信息获得识别进入短时记忆。短时记忆是一个信息加工的缓冲器，其中的信息处在意识活动的中心，但是这里的容量有限，只能保留7±2个信息组块，而且信息保留的时间也只有 1分钟左右，除非不断对信息进行复述。复述可以使短时记忆中的一部分信息进入长时记忆，长时记忆的容量很大，对信息保留的时间也可以很长，它是我们的信息库，我们积累的大量知识经验都贮存在这里。长时记忆中的信息可以在激活信号的作用下回到意识状态，供认知系统应用。
    对于记忆的多存贮理论也有不同意见，其中有代表性的是克雷克的加工水平说。加工水平说认为，多存贮结构是不存在的，信息保持时间的长短不是由于所处系统的不同，而只是由于其受到了不同水平的加工。信息加工会留下记忆痕迹，所以记忆是信息加工的副产品。
    2．记忆信息表征的研究
    记忆信息的表征主要是长时记忆的信息表征，而长时记忆的信息也被称为知识，即个人知识。人们把知识划分为两大类：陈述性知识和程序性知识。陈述性知识的表征方式既有情景性的，也有语义性的，其中语义记忆信息的表征理论主要包括网络模型和特征分析模型两类。前者认为人脑对语义的记忆是以网络形式分层存贮的，所有的概念均按照逻辑的上下级关系分为若干层次，各层次的概念依次有连线相通，由此构成一个层次网络，概念的特征附着于网络的各个结点上；后者则认为概念的表征依赖于特征集，任何概念都包括一个定义特征集和一个描述特征集，两个概念的特征交叉越多，概念的重迭就越多，关系越密切。
    （四）问题解决的研究
    20世纪50年代中期有两种论著的发表标志着信息加工理论对问题解决研究的开始。一是Bruner,Goodnow和Austin（1956）的《思维研究》，主要是研究对刺激信息进行分类的认知过程；一是纽威尔,肖和西蒙发表的研究论文，他们在这篇论文中描述了一项工程研究情况。这项工程研究的目标就是为一台数字计算机开发程序以使它能够解决问题，而在实际上，这是人工智能真正的开始。工作的第一步是尽可能收集关于人解决问题的资料，以此资料的分析为基础来编制类似于人使用的解决问题程序；第二步是收集人与计算机解决同样问题时的详细资料，在分析比较的前提下修改计算机程序，以提供更接近人的行为的计算机操作模式。一旦在某一特定任务中的模拟获得成功，研究者就可以尝试在更广泛的任务中使用同样的信息加工系列和程序。在这些研究中逐渐形成的问题解决理论，后来被完整表述在他们的长篇著作《人类问题解决》中（Newell & Simon，1972，pp.787-868）。这本专著可以被称为是现代认知心理学关于问题解决研究的经典之作。Newell和Simon认为问题解决是对问题空间不断进行启发式搜索的过程。
    关于问题解决的另一项主要研究是专家与新手的研究。专家与新手在问题解决方面的差异，主要表现在两个方面：问题表征和问题解决方法类型的不同。专家基于在一特定领域中的知识，他们比新手有更丰富的问题表征，这些表征可以被看成是包含有亚图式的图式。对于专家来说，图式包含的信息往往是根据基本定律而组织的信息，而不是来自问题的表面信息，专家也更可能使用问题给予的信息，采用正推策略向问题目标状态推进。新手则可能提出基于可能解决方法的假设然后检验假设，这种策略的绩效较少。通过应用策略的实践，专家在正推过程中会把各种回忆起来并容易执行的操作自动化（VanLehn, 1989），通过这样的自动化和图式化，专家会把工作记忆的负担转到没有资源限制的长时记忆中去，进一步提高了问题解决的绩效和准确性。但是新手必须使用他们的工作记忆搜索问题信息和寻找多个可选的策略，他就没有了工作记忆空间来监测他们的问题解决进程和精确性。
    就目前来讲，信息加工心理学关于问题解决的研究还很不成熟。该领域还需要积累更多资料，或者需要更有效的研究手段。

三、信息加工心理学的主要研究方法
    信息加工心理学能够在行为主义统治的美国心理学世界里异军突起，这与它在方法上的突破密切相关。具体地说，信息加工心理学最具代表性的方法包括：因素型实验方法、眼动研究方法、口语报告分析法和计算机模拟法。
    （一）实验方法
    信息加工心理学的实验法，尤以反应时和作业成绩为指标的实验受到重视。与其它心理学分支相比，反应时法是其最有效的和最典型的实验方法，主要包括减法反应时法和加因素法。
    减法反应时法是指当两个信息加工系列具有包含和被包含关系时，即其中一个信息加工系列除含有另一个信息加工系列的所有过程以外，还存在一个独特的信息加工阶段或过程，这两个加工系列需要的时间差就是这个独特的信息加工阶段或过程所需要的时间。就如辨别反应包含简单反应的全部加工阶段，同时它还有一个信号分辨的心理加工阶段是简单反应所没有的，那么通过反应时间的相减就可以得到辨别的心理加工所需要的时间。很明显，心理加工越复杂，需要的加工时间就越长。
    但是这种方法也有弱点，使用这种实验要求实验者对实验任务引起的刺激与反应之间的一系列心理过程有精确的认识，并且要求两个相减的任务中共有的心理过程要严格匹配，这一般是很难的。这些弱点大大限制了减法反应时法的广泛使用。
    20世纪中期，斯腾伯格(sternberg)提出了加法法则，称之为加因素法（additive factors methods）。这种方法是减法反应时法的发展和延伸。加因素法反应时间实验的逻辑是：如果两个因素的作用是相互制约的，即一个因素的效应可以改变另一个因素的效应，那么这两个因素只作用于同一个信息加工阶段；如果两个因素的效应是分别独立的，即可以相加，那么这两个因素各自作用于不同的信息加工阶段。这样，通过单变量和多变量的实验，从完成作业的时间变化来确定这一信息加工过程的各个阶段。因此，重要的不是区分出每个阶段的加工时间，而是辨别每个加工的阶段和加工的顺序，并证实不同加工阶段的存在。加因素法假设，当两个因素影响两个不同的加工阶段时，它们将对总反应时产生独立的效应，即不管一个因素的水平变化如何，另一个因素对反应时间的影响是恒定的，这就是所谓的两个因素的影响效应有相加性。加因素法的基本手段是探索有相加效应的因素，以区分不同的加工阶段。
    （二）眼动研究方法
    眼动（eye-movement）即眼球运动，它有三种基本方式：注视（fixation）、眼跳（saccades）和追随运动（pursuit movement）（阎国利，2004，pp.5-13），这三种眼动方式经常交错在一起，目的均在于选择信息、将要注意的刺激物成像于中央窝区域，以形成清晰的像。眼动可以反映视觉信息的选择模式，对于揭示信息加工的内部机制具有重要意义。眼动实验依赖于眼动仪，眼动仪就是记录眼球运动信息的仪器。
    从近年来发表的研究报告看，利用眼动仪进行心理学研究常用的资料或参数主要包括：（1）眼动轨迹图；（2）眼动时间；（3）眼动的方向和距离；（4）瞳孔大小与眨眼。眼动心理学的研究是一个方兴未艾的领域，其技术手段、研究思想和涉及的课题领域都还处在迅速的发展过程中。
    （三）口语报告分析法
    口语报告分析法（protocol analysis），也称为出声思考法（think-loud），是一种由被试大声地报告自己在进行某项操作时的想法来探讨内部认知过程的方法。口语报告多半在操作时进行，也可以在操作后通过回忆来叙述。在口语报告实验时，要求被试大声如实地报告操作时自己思考的详细内容，使内部的思维过程外部言语化，但不要他们解释情境或思维过程。被试所报告的应主要是短时记忆中保留的很快就会消失的信息。内克森和西蒙等人采用这种方法，在认知研究上取得了一定的成就。口语报告分析法已经被许多信息加工心理学家所接受和采用。
    （四）计算机模拟法
    计算机模拟（computer simulation）是信息加工心理学最有代表性的一种研究方法，它是通过对心理过程的计算机模拟来认识人的心理活动过程的本身，即对人的内部信息加工过程进行逻辑分析。计算机模拟通常和理论分析结合在一起，多从程序缩减、流程分析、程序模拟三个方面入手。

作者：叶浩生摘自：心理学史

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